合成生物聚合物是组织工程 (TE) 领域中替代受损组织的有效线索，可用于体外和体内应用。其中，聚左旋乳酸（PLLA）被认为是一种具有可调节机械性能和生物降解性的生物材料，可以通过各种方法制造具有不同微/纳米结构的多孔支架。在这篇综述中，我们讨论了 PLLA 的结构、其主要特性以及克服其疏水性、合成性质的最新进展，这些特性限制了生物信号传导和蛋白质吸收。为此，可以对基于 PLLA 的支架进行表面改性或与其他生物材料（如天然或合成聚合物和生物陶瓷）结合使用。此外，还仔细研究了基于 PLLA 的支架的各种制造技术，例如相分离、静电纺丝和 3D 打印，以及各种组织修复策略中采用的体外和体内应用。总的来说，本综述重点介绍了 PLLA 在 TE 领域的特性和应用，最终深入了解了未来有效改善支架性能的方向和挑战。
一、简介
组织工程 (TE) 是一个多学科领域，涵盖生命科学和工程学，旨在开发替代、修复和改善组织功能的生物替代品。支架与细胞和生长因子一起，在实现 TE 的目的中发挥着至关重要的作用。理想的支架应模拟天然细胞外基质 (ECM)，这是一种包围细胞并提供空间和机械信号以协助细胞发育和形态发生的内源性物质。支架需要是可生物降解的材料，其降解必须与组织生长同步。因此，TE 的实际挑战是制造具有足够物理和生物特性的支架，以实现适当的细胞生长，同时确保体内环境的适当机械性能。在用于组织工程的可生物降解聚合物中，聚-l-乳酸 (PLLA) 因其有趣的机械性能和可定制的生物降解性而受到广泛研究。因此，它可以在体外和体内应用中保持机械和结构完整性，同时支持组织形成。PLLA 属于 PLA 家族，与 PDLA（通过 D-丙交酯聚合而成）相比，它具有更高的结晶性、化学稳定性和抗酶降解性，因此吸收时间更长。而且 PLLA 降解会产生对人体无害的 L-乳酸，而 PDLA 产生的 D-乳酸则危害较小。此外，PLLA 是采用生态可持续工艺合成的，不使用石油源或清洁不良的催化剂，并因其无细胞毒性而获得 FDA 批准，这表明基于 PLLA 的支架可以有效促进组织再生。然而，PLLA 是一种聚酯，可以通过水解降解形成酸性副产物，从而改变局部 pH 值，从而损害植入支架的细胞分化。生化或物理过程可引起表面改性，从而影响 PLLA 的疏水性并改善细胞粘附和蛋白质吸附。通过将生长因子引入材料中可实现类似的反应，从而促进体外和体内的组织修复。组织工程取得了显著进展，利用复合或混合系统开发出具有理想性能的支架。PLLA 通常与其他生物材料（如天然和合成聚合物以及无机材料）结合使用，超越了使用单一聚合物的极限。对于功能结构，目标是为组织提供足够的结构和刚度以进行替换。有许多关于使用静电纺丝、增材制造、颗粒浸出和相分离为各种组织工程应用制造 PLLA 支架的报道。
支架的另一个值得注意的应用是用作不同药物负载的支撑材料，从而允许在所需时间内持续和控制药物释放。为此，人们研究了几种工程系统，包括明胶、玉米醇溶蛋白、牛血清白蛋白 (BSA)、开菲朗和壳聚糖等天然材料，或聚己内酯 (PCL)、聚乳酸-乙醇酸共聚物 (PLGA) 和 PLA 等合成聚合物。这些治疗应用需要较低的生物降解率，正如 PLLA 所观察到的那样。因此，它是延长药物输送系统的合适候选者。
科学文献中有几篇有趣的评论强调了 PLA 作为支架制造生物材料的用途，但对 PLLA 的同一主题的评论却很少。由于 PLLA 是一种在组织工程中使用越来越广泛的材料，因此对其基本特性的回顾将有助于为各种应用选择这种材料。本综述总结并讨论了基于 PLLA 的支架的主要特性以及为提高这些系统的性能而提出的修改。本文还介绍了有关 PLLA 与其他生物材料相结合的混合支架制造和特性的文献分析。此外，本文还仔细研究和讨论了用于骨、软骨、皮肤和血管替代的 PLLA 基支架。最后，提出了改进 PLLA 基支架的未来挑战，以供新研究参考。
二、PLLA 作为生物材料
生物材料的组织工程应用广泛集中在合成聚合物的研究上，因为它们具有有趣的机械强度、弹性和生物降解性。最近，PLLA 已成为组织工程领域大多数关注的焦点，用于制造在组织再生方面表现出高性能的纯或混合支架。
2.1. PLLA 的结构
PLLA 是 PLA 家族的均聚物，该家族还包括均聚物 PDLA 和共聚物 PDLLA（图 1）。该家族的诱人特性促使研究人员将研究重点放在这些聚合物上，因为它们无毒且具有出色的物理和机械性能。根据其成分和结构特性，PLA 是一种热塑性脂肪族聚酯。它可能包括赋予材料特定性能的立体化学形式。例如，PLLA 和 PDLA 是半结晶聚合物，而 PDLLA 通常是无定形的。
图 1. 乳酸的对映体形式。
PLLA 代表了大多数 PLA 商业等级。它们是从 100% 天然资源（例如玉米淀粉和甘蔗）中获得的环保型聚合物。其环境优势既与非石油基工艺（即油、碳水化合物或植物的发酵工艺）的合成有关，也与使用生态可持续催化剂（例如七水合三氯化铈和山梨糖醇）的可能性有关。PLLA 生产的优势是能耗较低，因此成本较低。PLLA 由环状二聚体丙交酯 LL- 组成，晶体结构在 30% 到 40% 之间，可具有多种形式（α、α'、β 和 γ）；α 形式最稳定，因为它具有拟正交晶胞，其中 (10/3) 链采用螺旋构象。因此，两侧不对称，导致晶格中链堆积的扭曲和排列链的能量稳定性。
2.2. PLLA 的生物学特性
PLLA 是一种经 FDA 批准的聚合物，与其他合成聚合物相比毒性较低。PLLA 的抗感染作用已在体内和体外实验中得到证实，有助于修复受感染的组织。PLLA 相对于其他生物聚合物的显著优势之一在于 PLLA 在植入过程中的性能，确保了长时间再生过程所需的足够机械性能。然而，研究人员对这种聚合物的疏水表面提出了一些质疑，这可能会损害其生物相容性，因为它会影响吸收的蛋白质量和细胞粘附。
在确定一种材料的生物学特性时必须考虑的另一个重要参数是其生物降解副产物，这些副产物在植入后会引起局部或全身毒性。在 PLLA 通过水解降解的过程中，聚合物会形成副产物乳酸，通常存在于体内并以水和二氧化碳的形式排出。3D 支撑物的最佳降解速率应与特定组织的 ECM 沉积速率相匹配。PLLA 降解的动力学取决于其部署后的结晶度、应变和微结构。结晶度越低、应变越大，降解速率越快。PLLA 被描述为具有缓慢降解动力学的可吸收合成聚合物。该特性由额外的甲基赋予，从而增加了疏水性和对水解的稳定性。PLLA 在体外和体内的降解时间分别约为 40 周和 30 周。
2.3. PLLA 的机械和物理特性
PLLA 因其可调的机械性能而在组织工程应用中得到广泛探索。与其他合成聚合物（例如 PCL 和 PDLA）相比，用这种生物可吸收材料制成的支架通常具有更高的拉伸强度（60-70 MPa）和模量（2-4 Gpa），但断裂伸长率较低（2-6%）。基于 PLLA 的支架已广泛用于高强度组织（例如骨骼、韧带和真皮），以在组织愈合期间提供物理支撑。然而，PLLA 的机械行为在很大程度上取决于其分子量、结晶度和老化特性。
2.4. 增强型 PLLA 基生物材料
改性聚合物材料的增强添加剂可以作为材料降解的触发因素，并可以改善机械性能。增强型 PLLA 结构为改善支架性能提供了潜在的优势。研究人员获得并表征了一种用纤维素纳米晶体增强的 PLLA 基纳米复合材料。根据他们的研究结果，填料的存在增加了熔体流动的阻力和杨氏模量值。同样，Mg(OH)2 也用于改善 PLLA 基复合材料的机械性能。另一种可以添加以获得高性能 PLLA 基材料的材料是 BaTiO3，它专门用于赋予聚酯压电性能。图 2 显示了 研究人员制造的用 BaTiO3 颗粒增强的 PLLA 纤维的整体和微观结构。
图 2. (d) 通过中试规模熔融纺丝获得的用 BaTiO3 颗粒增强的初纺 PLLA 纤维，以及 (e) 初纺 PLLA/BaTiO3 纤维的 FE-SEM 图像。
其他添加剂也已用于改善细胞增殖和蛋白质吸收。其中，壳聚糖和羟基磷灰石已被证明可以增强 PLLA 基结构的骨活性。此外，PLLA 本身被发现是其他材料的增强剂。组织工程领域经常使用的天然聚合物缺乏良好的机械性能。胶原蛋白和明胶海绵以及丝纤维在用 PLLA 增强时具有更高的强度和弹性模量。
2.5. 药物/生长因子负载 PLLA 系统
由于其生物降解率相对较低，PLLA 是延长药物输送系统的合适候选者。在这方面，研究人员开发了一种新的药物载体材料，即由 PLLA 和利福平组成的混合颗粒，利福平是一种用作抗菌和抗真菌剂的抗生素药物。采用冷冻干燥技术制备混合颗粒，从由 PLLA、利福平和 1,4-二氧六环组成的溶液开始。为了避免异质吸附法，作者认为利福平适合他们的研究，因为它可溶于 1,4-二氧六环和 PLLA。所得颗粒的平均孔隙率为 92±3%，比表面积为 10-40 m2 g-1（图 3）。
图 3. 通过滴液冷冻干燥法制备的 PLLA/利福平混合颗粒表面和内部的 SEM 图像。(a) PLLA = 2.0 wt%，表面，(b) PLLA = 2.0 wt%，内部，(c) PLLA = 4.9 wt%，表面，(d) PLLA = 4.9 wt%，内部。
研究了利福平在水中的释放动力学，结果取决于混合物颗粒的形态，可以通过改变原始溶液的浓度和冷冻加工参数进行调整。
研究人员评估了 PLLA/聚羟基丁酸酯 (PHB) 的药物释放能力。他们使用无溶剂熔融电纺丝和不同浓度的药物双嘧达莫 (DPD) 制备支架。作者发现 DPD 可作为 PLLA 的增塑剂，因此与纯 PLLA 相比，它们可以在较低的温度下进行熔融电纺丝过程。根据他们的研究结果，含有 DPD 的纤维比不含 DPD 的纤维表面更粗糙，单根纤维内的直径也更不均匀。研究了不同 PLLA/PHB 比例（9/1 和 7/3）和相同药物浓度（1%）下 DPD 的释放曲线，结果表明 9:1 PLLA/PHB 系统比 7:3 系统更耐聚合物水解。与此结果一致，7:3 PLLA/PHB 纤维的扩散传输速率大约是 9:1 PLLA/PHB 纤维的两倍。总体而言，作者证明了该混合系统增强药物持续释放的能力。
在最近的一项研究中，研究人员开发了一种新型 A-B-A 三嵌段共聚物，以 PLLA 为 A 嵌段，用于制备用于控制药物输送的微颗粒和纳米颗粒。B 嵌段是聚（丁烯/三乙烯琥珀酸酯）P(BSTES) 共聚物体系，其中亲水/疏水比和水解降解动力学通过控制嵌段长度进行调整，以实现药物的充分释放。为了研究这些新材料在制造用于控制药物输送的微颗粒和纳米颗粒中的应用，评估了化学结构和分子结构以及颗粒大小对药物释放动力学的影响。具体来说，作者将地塞米松（一种具有快速胃肠道吸收的合成皮质类固醇）装入微颗粒和纳米颗粒中。从他们的研究结果来看，在生理条件下孵育 8 小时后，观察到共聚物和纯 PLLA 中的药物释放，共聚物中的药物释放已完全，而 PLLA 基质中的药物释放仍在继续，尽管孵育过程中已有 80% 以上的药物释放。作者认为，在共聚物微粒中，药物是通过扩散控制机制释放的。相反，PLLA 微粒中药物的释放也受到后续阶段发生的侵蚀过程的影响。
在 TE 领域，生长因子 (GF) 是一个基本要素，因为它们具有诱导和增强细胞反应的潜力。根据研究人员的说法，仅使用细胞和支架的组织再生通常不会成功，必须有外源性生长因子来启动再生过程。在这种情况下，提出了结合生长因子的 PLLA 基支架来提高其生物活性并诱导细胞分化。研究人员通过静电纺丝技术制备了载有富含血小板生长因子 (PRGF) 的丝素蛋白/聚 (L-丙交酯-e-己内酯) (SF/PLLA-CL) 血管移植物。加入 PRGF 以促进有效的平滑肌细胞 (SMC) 生长和渗透到移植物中。根据他们的研究结果，SF/PLLA-CL/PRGF 的应变 (282%) 和弹性模量 (1.8 MPa) 略高于 SF/PLLA-CL (分别为 259% 和 2.5 MP)，与天然血管相比表现出适当的机械性能。关于细胞行为，PRGF 在很大程度上增强了细胞对移植物渗透并诱导快速 SMC 生长 (图 4)。
图 4. 在 SF/PLLA-CL/PRGF 和 SF/PLLA-CL 上生长 1、4 和 7 天的 SMC 的共聚焦激光图像。
在软骨和骨 TE 中，研究人员引入聚（羟乙基）甲基丙烯酸酯 (PHEMA) 嵌段，将 GF 模拟肽结合到 PLLA 支架表面，并制造出具有改进生物活性的支架。分别结合两种不同的 GF 模拟肽，即 TGF-β1 和 BMP-2，分别用于诱导 BMSC 的软骨和成骨分化。在分子合成过程中调整共聚物中丙烯酸基团的密度以结合更多肽后，将这些肽引入 PLLA 支架中。根据报道的体外和体内测试，在 PLLA-PHEMA 支架中加入 GF 模拟肽可积极引导干细胞沿着各自的分化途径分化。与对照未结合支架相比，它们还促进了软骨和矿化。
三、 用于组织工程的 PLLA 基支架加工
支架材料在提供功能支撑以增强细胞外基质沉积和细胞生长的同时，还暂时替代活组织的机械功能，起着至关重要的作用。在文献中，许多研究工作都集中在 PLLA 上，无论是纯材料还是复合结构，用于制备用作 TE 支架的多孔结构。
如图 5 所示，可以采用几种不同的方法来制造基于 PLLA 的支架，从而产生特定的孔隙形态。
图 5. 使用一些最常用的加工技术制备的基于 PLLA 的支架的孔隙形态。
表 1 列出了基于 PLLA 的支架制造可采用的主要制造方法及其加工参数、主要性能、优点和缺点。TIPS、DIPS、增材制造和致孔剂浸出方法允许人们获得具有相对较高的机械性能的三维 PLLA 基支架，以满足骨骼等硬组织的要求。另一方面，通过静电纺丝生产的 PLLA 基支架通常是二维形状或最终包裹在圆柱形收集器中以形成类似血管的结构。出于这个原因，结合这些系统的相对较低的弹性模量，PLLA 基电纺支架主要用于皮肤或血管再生。尽管文献中提出的大多数基于溶液的加工都需要有机溶剂，但几篇文章确保在研究时实现最终结构而没有任何残留溶剂痕迹，从而避免了细胞毒性。
表 1. 用于生产 PLLA 基支架的制造技术。
四、纯 PLLA 支架
PLLA 是一种可生物降解的、经 FDA 批准的聚合物。纯 PLLA 支架因其可调的机械性能而被认为适用于组织工程目的，即 0.1 kPa–80 MPa 的压缩模量取决于结构、孔径和孔隙率（表 1）。这些特性使 PLLA 成为一种可行的材料，可以通过多种技术（例如增材制造、静电纺丝、相分离和颗粒浸出）来制造，为组织再生提供充分的支持。研究人员使用超临界二氧化碳 (SC-CO2) 凝胶干燥并将该技术与致孔剂浸出相结合来生产 PLLA 支架，从而分别获得纳米多孔和微孔结构。他们的研究表明，生产的孔径最大的支架可诱导人类间充质干细胞 (hMCS) 的更高增殖。研究人员已经广泛研究了通过相分离技术生产的 PLLA 支架。在研究 TIPS 和 DIPS 方法时，他们优化了操作参数，以获得具有不同孔隙率和孔径的多孔基质，足以容纳各种类型的细胞。TIPS 技术还与糖模板法相结合，生产 PLLA 基质，同时精确调节其多孔结构。通过相分离生产的 PLLA 支架的另一个主要特征是它们能够控制其生物降解性。
静电纺丝是生产用于组织工程的纯 PLLA 支架的替代技术。静电纺丝 PLLA 具有纳米纤维结构，其孔隙率和厚度取决于聚合物溶液的初始浓度。静电纺丝工艺可以制造用于传感应用的 PLLA 支架，其中信号监测和检测动态触觉刺激需要压电特性。通过拉伸热力学稳定的 α 晶型中随机取向的 PLLA 链，电纺丝工艺可以将后者转化为 β 晶型，其中分子链沿拉伸方向排列，从而产生极化和压电效应。
研究人员已经证明，可以通过快速原型技术从 PLLA 粉末制造 3D 支架。然而，3D 打印的 PLLA 支架似乎表现出大尺寸的孔隙，无法支持细胞粘附。
4.1. 表面改性
尽管纯 PLLA 支架已提供出色的效果，但其疏水性限制了细胞与材料的相互作用以及材料表面的生物识别。表面处理可以提高 PLLA 的表面生物活性，从而为促进细胞粘附提供理想的环境。生物活性分子的沉积是最常用的表面处理方法。羟基磷灰石 (HA)、壳聚糖和胶原蛋白已被用作涂层，以改善 PLLA 基支架的生物特性。研究人员将单壁碳纳米管 (SWCNT) 掺入电纺 PLLA 支架中。他们的研究表明，这种内含物赋予了排列整齐的纳米级纤维基质导电性，促进了神经再生。在研究人员的研究中，脐带血管周围的组织华通氏胶 (WJ) 被用作 PLLA 电纺纳米纤维的涂层。据作者称，用 WJ 涂覆 PLLA 纳米纤维对组织工程支架具有多种益处，因为 WJ 富含胶原蛋白、纤维和间质蛋白以及信号分子。这些化合物可以促进细胞附着、增殖、浸润和分化。事实上，WJ-PLLA 支架显示出比组织培养板 (TCP) 和 PLLA 支架更高的人类间充质干细胞 (MSC) 增殖。尽管如此，PLLA 支架的表面特性，如孔隙率和纤维直径，并没有受到 WJ 涂层的显着影响。
在最近的一项研究中，生产了银纳米颗粒 (AgNP) 涂覆的 PLLA 膜 (PLLA@Ag)（图 6），以赋予 PLLA 电纺支架抗菌性能。
图 6. 不同样品的 SEM 图像。聚（L-丙交酯）（PLLA）（A）、PLLA@PDA（B）、PLLA@Ag1（C）、PLLA@Ag3（D）、PLLA@Ag6（E）、PLLA@Ag9（F、G）和PLLA@Ag 24（H、I）。
改性后的PLLA膜表现出比纯PLLA更优异的抗菌性能，具有巨大的临床应用潜力。
另一种常用的改性聚酯表面的技术是等离子体处理。这种方法可以提高聚合物的亲水性而不影响其本体性质。研究人员对静电纺丝制备的PLLA支架进行了氧等离子体处理。根据他们的研究结果，等离子体处理降低了聚合物的接触角并增加了表面自由能，导致极性成分发生变化，使PLLA更具亲水性。因此，在等离子体处理过程中，应适当设置等离子体功率和处理时间等操作参数，以避免聚合物的生物降解性发生变化。
五、 PLLA 混合支架
虽然表面改性对细胞粘附和细胞相互作用有积极作用，但它们会改变表面的化学性质。这种现象会导致蛋白质吸收过多和不必要的化学反应，从而影响体内反应。因此，混合支架在克服与表面改性相关的问题的同时，还改善了纯生物材料的性能。具体而言，PLLA 已与天然和合成聚合物以及陶瓷生物分子混合，以满足所需的物理、机械和生物特性。此外，一些生物聚合物可能为细胞提供粘附位点，因此可以更好地模拟天然 ECM（见图 7）。
图 7. PLLA 基混合支架与天然聚合物、合成聚合物或无机生物材料结合的微观结构。
5.1. PLLA/天然聚合物混合支架
天然聚合物已广泛用于与合成聚合物的混合，因为它们的 ECM 状结构可增强细胞在混合结构上的生长和粘附。组织工程应用方面有几项研究旨在利用 PLLA 和天然聚合物（例如胶原蛋白、壳聚糖、丝素蛋白和明胶）制造混合支架。
（富临塑胶供应：植入级可吸收PLLA聚合物、丝材）
明胶是一种源自胶原蛋白的分子，由于共价交联，它在水溶液中很容易缠结成线圈。研究人员的研究表明，PLLA/明胶支架具有良好的机械性能和生物特性。他们的分级支架的核心是 PLLA，表面是明胶，这样由于结构中的明胶分子，既保留了 PLLA 的机械强度，又增强了生物亲和力。与胶原蛋白相比，明胶更易溶于水，在生理条件下提供更低的抗原和免疫原性反应，因此能更好地支持各种细胞谱系的分化。另一方面，研究人员观察到，基于胶原蛋白的混合 PLLA 支架似乎比 PLLA-明胶混合支架更能促进细胞附着和增殖。事实上，明胶是部分变性的胶原蛋白，因此生物活性较低。然而，与胶原对照组相比，基于胶原的支架（如基于明胶的混合支架）在体内皮下植入后可产生更大的再生皮肤表面积。
最近，多糖对细胞附着的适用性已被利用来改善合成聚合物的生物学特性。在这些天然材料中，壳聚糖是一种在 TE 领域广泛使用的天然多糖，具有独特的抗菌性能。在研究人员的论文中，胶原蛋白和壳聚糖被用于增强 PLLA 支架的细胞活力。PLLA-壳聚糖-胶原支架是通过在不同浓度的壳聚糖（即 0.5% 和 0.6% 溶解在 10% PLLA 和 1% 胶原蛋白溶液中）下静电纺丝制成的。这些支架因其高血液相容性（所有材料的溶血率均低于 5%，可安全直接接触血液）和 1371 至 2593 mmHg 之间的爆破压力而被发现适合模拟血管，与人体动脉爆破压力（1264–3196 mmHg）一致。通过增加壳聚糖百分比，混合支架的拉伸强度增加，从而满足血管移植材料机械性能的标准。
丝素蛋白（SF）是一种天然蛋白质，可以从多种蠕虫中合成。丝素蛋白可以与合成聚合物结合，以增加它们的细胞亲和力和粘附力。研究表明，丝素蛋白可以通过制备电纺 SF/PLLA 支架来改善 PLLA 的疏水行为。这项研究表明，纤维状 SF/PLLA 结构具有出色的扩散性、软骨细胞的 ECM 分泌和可调节的降解特性，因此是一种很有前途的软骨 TE 材料。
5.2. PLLA/合成聚合物混合支架
使用天然聚合物的主要限制是其机械强度低和热敏性高，这也会影响支架制造过程，例如使用静电纺丝或增材制造时。当 3D 打印天然聚合物时，粘度可能会波动，因此很难制造具有精确结构的可重复支架。水环境中的天然聚合物在膨胀和塌陷时稳定性较差，导致孔隙之间的互连性降低。与天然聚合物支架相比，用合成材料开发的支架更容易制造，因为它们具有更多可调的特性，例如分子量、结晶度和转变温度。最近，合成混合支架被提出用于 TE，作为可完全控制机械性能和结构的材料。由 PLLA 和合成聚合物（例如 PCL、PLGA、PLA 和 PVA）组成的支架已专为 TE 应用而制造。
PCL 是一种脂肪族、半结晶、无毒聚酯，由于其橡胶状态，通常用于增强支架的柔韧性。由 PLLA 和 PCL 组成的混合支架因其灵活的降解速率、最佳孔隙率以及良好的耐高温高压性而受到研究。研究人员研究了 50:50 PCL/PLLA 电纺支架在长达六个月的时间内体外降解。结晶度随着时间的推移显著增加，拉伸强度和重量也随之减轻。PCL/PLLA 支架比纯 PLLA 和 PCL 支架表现出活性水解和更高的刚度。利用电纺丝技术制造纳米纤维 PCL/PLLA 支架，并进行检查以评估其用于将人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 分化为胰岛素产生细胞的可行性。体外研究显示了有趣的细胞/支架相互作用，导致分化细胞的胰岛样簇的形成（图8）。
图 8. 三维电子显微照片，包括（A）未接种的混合 PLLA/PCL 支架、（B）接种 hiPSC 的支架（起始日）、（C）诱导细胞组装、（D）诱导细胞聚集和（E）胰岛状簇。比例尺为 (A)：10 毫米；(B–E)：100 毫米。
PVA 是另一种广泛应用于 TE 的合成聚合物，因为它具有透明性、柔韧性和缓慢的降解动力学。由 PLLA 和 PVA 组成的支架已通过静电纺丝技术制造，这是一种成功生产混合支架的简单且经济有效的方法。在研究人员的研究中。对电纺 PLLA/PVA 支架在人诱导性多能干细胞 (iPSC) 的软骨分化方面进行了研究。混合支架具有均匀光滑形态的纤维，并且与 2D 培养组相比，hiPSC 的活力和增殖率更高。此外，可以通过应用氧诱导等离子体处理来优化 PVA/PLLA 结构的表面亲水性。
混合 PLLA/PLGA 支架在组织工程中显示出良好的应用前景。PLGA 是 PGA 和 PLA 的共聚物，以其可调节的生物降解性而闻名，可以通过改变 PLA 和 PGA 的比例来控制。在研究人员进行的研究中，比较了纯 PLLA 和 50:50 PLLA/PLGA 支架对体内骨形成的影响。尽管 PLLA 和 50:50 PLGA 支架具有相似的孔径、孔隙率和表面体积比，但混合支架比纯 PLLA 支架降解更快，骨长入率更高。另一方面，在整个研究期间，PLLA 支架的机械性能比 50:50 PLGA 支架更适合骨组织。通过在不同溶液浓度下冷冻干燥制备了不同微观结构的 PLLA/PLGA 支架，并对其进行了分析，以了解其微观结构和机械性能如何影响成纤维细胞类型的行为 [150]。研究表明，当增加聚合物浓度时，支架的压缩模量降低，拉伸模量增加，导致成纤维细胞在较低浓度的聚合物溶液中附着和增殖更好。
研究人员深入研究了含有 PLA 和 PLLA 共混物的支架。在这些研究中，通过相分离技术生产了具有不同 PLLA/PLA 比例的支架，并作为功能性多孔支架进行了测试。对设计的含有和不含有接种细胞的支架的体外降解率、孔隙形态和结晶度进行了评估。他们的结果表明，PLLA/PLA 混合支架的降解速度比纯 PLLA 更快，并且在 PLA 百分比较高时机械强度较低。
此外，PLLA 已与多种聚合物结合以获得适用于特定 TE 应用的最佳结构。其中，PLLA/壳聚糖/胶原蛋白结构、PLGA/PLLA/PDLLA 纤维和 PLLA-PEG-PLLA/PDLA 共混物被表征以评估其作为可生物降解材料的高性能。
5.3. PLLA/无机生物材料复合支架
在无机生物材料中，陶瓷材料因其高弹性和对矿化组织（如骨骼）的适用性而被用于组织工程应用。当单独加工陶瓷时，由于其脆性，它们不能轻易地转化为相互连接的多孔结构。通过将陶瓷和聚合物结合，可以生产出机械性能与承重组织相匹配的支架。在 TE 领域，最常见的生物陶瓷是羟基磷灰石、生物活性玻璃和磷酸钙。它们是生物活性、生物相容性的材料，已被用作骨缺损修复的填料。因此，陶瓷材料可以与聚合物结合，因为它们既可以作为增强剂，也可以作为仿生线索，引导细胞分化，缩短矿化所需的时间。在合成聚合物中，PLLA 已成功用于制造具有可控宏观和微观结构的复合聚合物/陶瓷支架。
羟基磷灰石 (HA) 是一种类似于天然骨无机成分的骨传导矿物。HA 的无毒性表明它可用于涂覆硬组织和金属植入物。这种生物陶瓷可与 PLLA 结合形成具有最佳骨样特性的复合支架。通过溶剂浇铸技术制造的具有集成结构的 PLLA/HA 结构比纯聚合物具有更好的热稳定性和更高的分解温度。HA 的高刚度使复合结构在比纯 PLLA 更高的温度下保持了机械稳定性。在 研究人员的研究中，对通过 TIPS 生产的 PLLA/HA 支架（HA 含量为 10% 和 20%）进行了骨组织植入检查。形态学研究表明 HA 分布均匀，说明在 TIPS 过程中，即使在高 HA 浓度下也不会发生 HA 颗粒沉降。研究人员在复合 PLLA/HA 支架上进行了 MC3T3-E1 前成骨细胞的体外细胞培养。在他们的研究中，复合支架是通过 TIPS 技术在不同 PLLA/HA 比例或分层温度下制造的（图 9）。
图 9. 在不同分层温度下用 90/10 PLLA/HA 比例制备的支架的 SEM 显微照片，分层时间保持不变。（A）25 ℃；（B）30 ℃；（C）35℃。
根据他们的研究结果，HA 不会影响支架的形态和活细胞数量。然而，PLLA/HA 支架在 21 天和 27 天时表现出比纯 PLLA 结构更高的 ALP 活性。
生物玻璃 (BG) 或生物活性玻璃是一种生物相容性的磷酸钙变体，用于骨疗法以提高骨样组织形成的速度。当使用生物玻璃时，由于这种材料的高表面反应率，当组织粘合时，疤痕组织的生长很少。生物玻璃通过增强细胞粘附和支架表面成骨细胞的增殖来提高支架的骨传导性和生物学特性。近年来，45S5 生物活性玻璃（成分以重量百分比计：45% SiO2、24.5% Na2O、24.4% CaO 和 6% P2O5）作为聚合物支架涂层引起了广泛关注，以刺激体内和体外新骨的形成。在细胞培养实验中，结果表明BG/PLLA复合支架增强了MC3T3-E1细胞的碱性磷酸酶（ALP）活性和骨传导基因表达，且具有含量依赖性行为。在体内动物实验中，BG被证明有利于复合支架成骨能力的显著提高。
除陶瓷外，其他无机材料也被用作基质填料来生产复合 PLLA 支架，尽管使用程度较低。最近，研究人员尝试将氢氧化镁纳米颗粒 (nMH) 添加到 PLLA 基质中作为生物活性填料，通过中和 PLLA 降解引起的酸化环境来抑制炎症反应。根据他们的研究结果，加入 nMH 可增强机械性能（例如杨氏模量）并减少水解降解过程中的体积侵蚀，从而降低细胞毒性和免疫原性。据作者称，nMH 具有作为添加剂改善用于各种生物医学应用（尤其是血管支架和骨科植入物）的可生物降解聚合物的机械和生物性能的巨大潜力。在另一项工作中，研究人员旨在制造用于神经组织工程目的的导电定向纳米纤维基质。因此，他们将单壁碳纳米管整合到 PLLA 纳米纤维支架中，然后评估它们与用于治疗神经损伤的嗅鞘神经胶质细胞 (OEC) 的细胞相容性。假设用导电化合物对 PLLA 纳米纤维进行功能化可以帮助模仿神经组织的导电性质，作者成功证明 OEC 在这些支架上粘附和增殖良好，并沿着纤维方向排列（图 10）。总体而言，SWCNT/PLLA 支架产生了一种潜在的结构，可以促进轴突生长和神经胶质从神经迁移到移植物，从而改善神经再生。
图 10. 引导线索对 OEC 排列的影响。(A) 用作 OEC 基质的排列 SWCNT/PLLA 纳米纤维，比例尺 = 10 µm；(B) 在培养板上生长的 OEC 呈现随机取向，放大倍数为 100 倍；(C) 在纳米纤维 SWCNT/PLLA 支架上排列的 OEC 的 SEM 显微照片，比例尺 = 2 µm；(D) 在 SWCNT/PLLA 纳米纤维支架上生长的排列 OEC 的荧光图像，放大倍数为 100 倍。
六、 PLLA 基支架在组织工程中的应用
PLLA 是首批被公认为组织工程有吸引力的材料的合成聚合物之一。在此背景下，PLLA 的特性已被定制以生产用于特定组织工程应用的 PLLA 基支架，包括骨骼、软骨、血管和皮肤组织再生，如图 11 所示。表 2 总结了为特定组织设计的 PLLA 基支架的材料组合、加工和特性。
图 11. 为骨骼、软骨、血管和皮肤再生而设计的 PLLA 基支架结构。
表 2. 为特定 TE 应用制造的 PLLA 基支架材料和特性摘要。
6.1. 骨组织
骨组织是一种动态而复杂的组织，由血管和不同的活性细胞组成，包括成骨细胞、破骨细胞和成骨细胞。根据微生物条件，未分化的成骨细胞可能变成成骨细胞或破骨细胞。通过这种方式，它们积极调节骨稳态。当出现小缺陷时，骨骼是一种自愈组织。然而，治疗病理性骨折和复杂断裂等严重缺陷仍然是一个巨大的挑战。PLLA 基支架可以为骨组织修复提供功能支持。
研究人员在体外广泛研究了通过相分离技术制备的 PLLA 基支架作为骨再生的潜在基质。他们分析了接种在 PLLA 基支架上的人类 MCS 的形态、生化和基因表达，包括单壁碳纳米管、微羟基磷灰石颗粒 (HA) 和骨形态发生蛋白 2 (BMP2) 分子。他们的研究结果表明，在复合材料中添加 HA 和 BMP2 分别增加了支架上的细胞数量和矿化阶段的胶原蛋白产生。另一方面，添加 SWCNT 的 PLLA 支架表现出较低的骨传导能力。最近，对由 TIPS 生产的具有不同羟基磷灰石含量（10、25、50、75、90 wt.% 的 HA）的复合 PLLA/HA 泡沫的骨 TE 进行了深入分析。本研究表明，成骨细胞的压缩性能和增殖率与泡沫的 HA 含量成正比，在 PLLA/HA 25/75 支架中达到最佳性能。使用相分离技术制造的基于 PLLA 的支架进行的体内研究表明它们适用于骨再生。研究人员比较了使用 PLLA 和 PLLA/PCL 支架对兔子 15 毫米尺骨缺损的体内再生。他们发现 PLLA 和 PLLA/PCL 支架的降解速度都很慢，骨矿物质密度也很低，而 PLLA/PCL 的骨痂形成优于 PLLA。事实上，PCL 不会产生酸性降解产物，因此抵消了 PLLA 的缺点。
在骨 TE 中，静电纺丝已被广泛用于生产结构接近骨纳米级胶原纤维的纳米纤维支架。电纺 PLLA 支架是使用表面修饰来生产的，可引导细胞分化为骨谱系并实现最佳的骨再生性能。通过成骨 ECM（由 MC3T3-E1 细胞分泌）的表面沉积，成功对电纺 PLLA 纳米纤维进行了修饰。然后，使用这些支架检查小鼠骨髓基质细胞 (mBMSCs) 对接种支架的反应。结果表明，与纯 PLLA 纳米纤维相比，改性结构的矿物质生长、ALP 活性和细胞形态处于最佳条件。
甚至使用临界尺寸大鼠颅骨缺损模型检查了电纺 PLLA/明胶纳米纤维支架的体内骨形成情况。在这个方向上，从支架骨诱导性增加的角度分析了羟基磷灰石与纳米纤维的结合。
植入后，PLLA/明胶支架显示出比PLLA/明胶/HA支架更轻微的骨化，后者在前六周内诱导的骨再生速度更快。然而，经过十周的体内实验后，没有观察到两种类型支架之间存在显着差异。
还通过增材制造技术生产了促进骨组织修复的功能性PLLA基支架，特别是与生物陶瓷材料结合。由于生物陶瓷的主要局限性在于它们无法在热塑性聚合物存在下融合，因此已经开发出低温沉积制造（LDM）来生产PLLA/陶瓷复合支架。所有这些支架都表现出高孔隙率和接近海绵状人骨的机械强度，支持骨样细胞增殖和体内骨传导性。
6.2. 软骨组织
软骨是一种承重结缔组织，包含软骨细胞和周围的细胞外基质，后者是由水、胶原蛋白、蛋白聚糖和其他非胶原蛋白组成的复杂网络。逐渐衰老和受伤会导致软骨损伤，从而导致骨关节炎等各种疾病。由于组织中缺乏祖细胞和血管形成，软骨的自我修复能力极其有限。最近的组织工程生物技术已经研究了大量的支架结构和不同的 MSC 来源，以及合成聚合物和活细胞的组合，以构建可植入的软骨再生替代品。合成聚合物和高模量水凝胶是组织工程软骨最常用的支架材料。
例如，通过相分离结合致孔剂浸出制备的 PLLA 纳米纤维支架已被证明是各种体内和体外软骨修复策略的极佳候选材料。这一特征归因于这些支架的高孔隙率和互连性，以及它们良好的可降解特性。研究人员通过 TIPS 技术制备了具有不同孔径的 PLLA 纳米纤维支架。然后，他们在体外和体内研究了孔径大小与软骨形成之间的关系（图 12）。
图 12. 皮下植入 8 周后在 100 倍放大倍数下的 H&E 组织学分析。小孔支架（60-125 µm）（A）包含具有典型形态的软骨，位于支架中心。小孔（125–250 µm）、（B）中孔（250–425 µm）、（C）大孔（425–600 µm）和（D）支架支撑的孔壁骨形成，骨基质呈粉红色染色，孔内有骨髓样组织。每组 N = 3。比例尺 = 200 μm。
结果表明，与大孔径（425–600 µm）结构相比，小孔径（125–250 µm）支架显著诱导人 BMSCs 体外软骨分化，更好地支持体内软骨形成。
然而，尽管纳米纤维 PLLA 基支架对软骨修复具有有益作用，但其纤维性质导致承重性能有限。高度多孔的支架在机械性能和对软骨 TE 的软骨形成支持方面已得到广泛研究。最近，研究人员通过静电纺丝和 3D 打印制作了分层明胶/PLLA 支架，用于鼻软骨重建。制作的支架在多孔 3D 打印 PLLA 支架表面具有纳米纤维明胶膜。作者测试了多孔 3D 打印支架的内部结构对其机械性能的影响，结果最大拉伸强度为 18 MPa，与软骨组织常见的 0.8-25 MPa 范围一致。研究人员还研究了基于 PLLA 的海绵状软骨 TE 支架的机械性能。他们通过冷冻干燥法制作了不同浓度的混合壳聚糖/PLLA 支架。根据他们的研究结果，随着 PLLA 比例的增加，支架的机械性能会下降；然而，当壳聚糖与 PLLA 的比例为 70:30 时，支架达到了机械稳定性，这也显示出对细胞增殖和附着的支持最为增强。研究人员还研究了多孔 PLLA 支架及其孔径对软骨细胞增殖和分化的影响。他们通过 TIPS 技术生产出孔径可控的高多孔支架。从基因表达分析来看，平均孔径为 100 µm 的支架似乎比孔径为 200 µm 的 PLLA 更能促进软骨形成基因的表达。关节软骨和鼻中隔软骨细胞都是如此。此外，还测试了这些支架的 MSCs 软骨形成能力。结果显示，孔径为 100 µm 的支架中软骨基因的表达更高。
所有提到的研究表明，支架孔径的适当大小可以改善软骨的功能特性，从而为这种组织的再生和修复提供有效的策略。
6.3. 血管
如今，临床上治疗动脉粥样硬化引起的心脏病最常见的方法是血管旁路移植术。然而，这种手术只能绕过堵塞和受损的血管，而不能修复对心脏组织造成的损伤。因此，组织工程的重点是使用能够类似于天然血管组织结构和功能的支架来创建血管网络。动脉血管由三层结构组成：外层（外膜）由结缔组织组成；中间层称为中层，由平滑肌细胞和细胞外基质（胶原蛋白、弹性蛋白和蛋白聚糖）组成；内层称为内膜，支撑单层内皮细胞。因此，生产这种复杂结构的功能替代品仍然是一个挑战。传统的血管 TE 研究已经研究了仅模拟三层血管中的一层的单层支架。使用 PLLA/PLGA/PCL 混合支架研究了用于血管组织工程的中膜重建（图 13）。
图 13. 不同重量比的 PLLA/PLGA/PCL 复合支架的 SEM 图像和孔径分布。
这些支架上接种了人血管平滑肌细胞 (HVSMC)，并评估了细胞生长和浸润能力。随着培养时间的增加，HVSMC 逐渐在支架表面扩散并增殖。培养七天后，检测到 HVSMC 浸润到 PLLA/PLGA/PCL 支架内部，并强烈诱导标志蛋白 α-平滑肌肌动蛋白 (α-SMA) 的表达。
最近，已经生产出了用于血管TE的多层支架。例如，PCL、胶原蛋白和 PLLA 纳米纤维分别用于模拟内膜、中膜和外膜。为此，这些纳米纤维通过连续电纺丝制成三层管状支架。培养内皮细胞和平滑肌细胞以评估生物活性，结果表明中间层的胶原蛋白显著改善了SMC的附着和增殖，内皮细胞增殖随着培养而显著增加，表明构建体无细胞毒性。
未来的研究方向应集中在植入更大的哺乳动物模型，例如犬或猪模型，以及使用患者自身细胞进行支架接种。
6.4. 皮肤组织
皮肤ECM由纤维蛋白、多糖、两层致密组织层（即真皮和表皮）和细胞（主要是上皮细胞、角质形成细胞和成纤维细胞）组成。当皮肤受到严重损伤时，例如在暴露于高温或高压的情况下，它无法自我修复。由于可移植功能性皮肤供应不足，TE 领域已做出巨大努力，以开发有助于皮肤修复的工程化结构。在此背景下，已制造出基于 PLLA 的支架并与细胞一起使用以形成人体皮肤等效物。研究人员利用 PLLA 编织网的机械强度生产出具有漏斗状胶原蛋白或明胶海绵的混合支架。体外真皮成纤维细胞培养表明，与对照胶原海绵相比，混合支架诱导了高细胞接种效率并改善了成纤维细胞粘附和增殖。另一方面，体内伤口愈合评估表明，与对照胶原蛋白相比，混合支架中的愈合发生得更快、更有效。大多数情况下，PLLA、胶原蛋白和明胶经常结合在一起制造纳米纤维支架，其物理特性和生物学特性与皮肤替代品中的物理特性和生物学特性相匹配。
PLLA 还被用于生产与天然皮肤结构非常相似的多层支架。研究人员开发了一种新型双层支架，由表层壳聚糖/PCL 纳米纤维垫（CP-nano 垫）和底层 PLLA 微孔盘（PLLA-microdisk）组成。在这项研究中，角质形成细胞和成纤维细胞分别作为表皮等效物和真皮等效物共培养。结果表明，双层支架中的细胞增殖高于单个 CP-nano 垫和 PLLA-microdisk。此外，基因和蛋白质表达评估表明伤口愈合活跃，再次证实双层支架可以提供刺激皮肤再生的合适微环境。应开展进一步研究以生成符合临床应用要求的三维组织。
七、结论和未来挑战
用于组织工程应用的生物材料应具有足够的机械性能和易于加工的适应性。PLLA 是一种具有这些先决条件的合成聚合物，并且基于 PLLA 的支架已被证明能够在体外和体内促进组织向内生长和功能替代品的开发。PLLA 是一种生态聚合物，因为它是使用绿色溶剂和催化剂合成的。尽管如此，在 TE 中使用 PLLA 解决了一些与酸性副产物的释放及其积累有关的挑战，这些副产物会产生炎症，对组织再生产生负面影响。同样，人们也进行了许多尝试来增加这种聚合物的表面亲水性，然后改善细胞的粘附性和蛋白质的吸收。在这篇综述中，我们描述了为克服这些问题而采用的各种策略，例如表面改性和使用由 PLLA 和生物活性材料制成的复合结构。PLLA 是一种很有前途的软组织和硬组织修复生物材料，因为它的降解速度相对较慢，并且通过与其他聚合物混合或与无机填料结合而具有可调的机械性能。据报道，PLLA 基支架制造有不同的制造技术，例如静电纺丝、相分离、盐浸出和增材制造，可在宏观和微观尺度上产生各种几何形状和形态的结构。从这篇文章可以看出，PLLA 是一种可生物降解的合成聚合物，在组织工程的体外和体内模型中发挥着重要作用，本文还研究了 PLLA 基支架在生物医学领域的最新进展。
尽管 PLLA 在人造组织方面表现出巨大的潜力，但其临床应用仍然有限。未来，应该通过进行更多的体内研究和临床试验来评估基于 PLLA 的工程构建体的临床适用性。具有体外功能特性的支架可能会在体内产生不良影响，因为体内包括在组织修复阶段动态变化的所有生物和物理刺激。因此，在构建组织支持以更好地模拟天然组织之前，应考虑各种机械和化学因素以及细胞增殖过程中支架特性的变化。此外，PLLA 材料的机械性能和降解行为受其结晶度的影响，这与支架制造技术有关。研究人员必须考虑支架制造过程中的所有技术参数，以改善支架的性能。最后，应该对 PLLA 基支架内药物或抗生素的负载进行更多的研究，以治疗相关感染并评估植入物的药效学和药代动力学行为。
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